FR3000991A1 - Systeme de traitement des gaz d'echappement d'un moteur sur un vehicule automobile et son procede de commande. - Google Patents

Systeme de traitement des gaz d'echappement d'un moteur sur un vehicule automobile et son procede de commande. Download PDF

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Abstract

Dans un système de traitement des gaz d'échappement (G) d'un moteur (12) sur un véhicule automobile comportant un filtre à particules (16), on commande une régénération du filtre à particules (16) en pilotant la température des gaz en amont du filtre à particules (16) selon une première température de consigne (T1) pour amorcer une combustion des suies accumulées dans le filtre à particules (16), on définit une zone critique (32) et une zone normale (31) en fonction du point de fonctionnement du moteur (12), caractérisé par une charge du moteur (12) et un régime, et on pilote la température des gaz d'échappement (G) selon la première température de consigne (T1) dans la zone normale (31) et selon une deuxième température de consigne (T2), inférieure à la première température de consigne (T1), dans la zone critique (32).

Description

Système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur sur un véhicule automobile et son procédé de commande Domaine technique La présente invention se rapporte à un procédé de commande d'un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur sur un véhicule automobile, notamment des phases de régénération d'un filtre à particules. Elle concerne également le système de traitement des gaz d'échappement mettant en oeuvre ce procédé.
Etat de la technique Pour régénérer un filtre à particules de moteur à combustion interne, c'est-à-dire pour le purger des suies issues des gaz d'échappement du moteur et accumulées dans le filtre pendant le mode de fonctionnement normal du moteur, on procède à des réactions d'oxydation des suies en présence d'oxygène et sous conditions d'apport d'énergie thermique. Sur un moteur Diesel de véhicule automobile, aujourd'hui, la température en amont du filtre à particules pour amorcer sa régénération est de l'ordre de 650°C. Les suies sont brûlées par du carburant, qui peut être injecté soit directement à l'échappement du moteur en amont du filtre à particules, soit dans les cylindres du moteur tardivement dans la phase de détente du cycle de combustion de manière à ne pas être brûlé dans les cylindres et à être rejeté à l'échappement. La température élevée, supérieure à 650°C, en amont du filtre à particules peut également être obtenue en dégradant le rendement de la réaction de combustion dans les cylindres de manière à en augmenter les pertes thermiques, par exemple en injectant plus tardivement dans les cylindres le carburant participant à la combustion, c'est-à-dire le carburant qui brûle réellement pour la production du couple moteur.
Le document FR 2 862 100-Al montre un exemple d'injection de carburant dans les chambres de combustion en fin de cycle. Ces techniques permettent de compléter l'augmentation de température des gaz d'échappement à la sortie du moteur, quelles que soient les conditions de roulage et/ou de fonctionnement du moteur, de façon à garantir une bonne efficacité de régénération. Un moteur Diesel fonctionnant généralement en excès d'oxygène, la présence d'oxygène est assurée. Il est à noter que plus il y a d'oxygène dans les gaz d'échappement, plus la combustion des suies est rapide. Les réactions d'oxydation des suies sont exothermiques, ce qui permet d'entretenir les réactions d'oxydation pendant la régénération. Dans un milieu où la quantité d'oxygène est forte, cela peut entraîner une forme de réaction en chaîne dite emballement. La combustion des suies s'entretient d'elle-même, la température dans le filtre à particules augmente très rapidement jusqu'à des températures pouvant entraîner la dégradation de celui-ci, par exemple des températures dépassant 1000°C. Il existe des points de fonctionnement régime-charge particuliers du moteur où on est proche des conditions d'emballement. Lorsque le moteur est à faible charge, la quantité d'oxygène consommée par la combustion dans le cylindre est faible, laissant ainsi une grande quantité d'oxygène disponible pour la combustion des suies. Typiquement, lorsque le moteur n'entraîne pas le véhicule, on est proche des conditions d'emballement. Un autre cas critique se présente lors d'un relâchement de la pédale d'accélérateur, alors que le véhicule est lancé et entraîne le moteur.
Une première méthode connue pour éviter l'emballement consiste à limiter la quantité d'oxygène disponible dans les gaz d'échappement. Pour cela, on restreint la quantité d'air que le moteur aspire dans la phase d'admission à l'aide d'une vanne ou d'un volet. Alternativement ou en complément, on substitue à l'air frais admis des gaz d'échappement provenant du moteur en agissant sur une vanne de recirculation des gaz. Cependant, cette méthode a le défaut de restreindre la quantité d'oxygène nécessaire à la combustion dans le cylindre du moteur Diesel, ce qui augmente le risque d'instabilités ou de ratés de combustion. Une deuxième méthode consiste à augmenter la charge du moteur sur ces points de fonctionnement pour que la combustion interne consomme plus d'oxygène. On peut ainsi commander la charge d'une batterie, l'entraînement d'un système de climatisation ou d'un frein. Le document FR 2 919 665 Al montre un exemple de réalisation d'un système qui utilise un système de charge d'accumulateurs électriques pour contrôler la température des gaz d'échappement pendant une phase de régénération. Cette méthode est limitée en ce que la puissance d'absorption est en général limitée, soit dans son intensité, soit dans sa durée. Une troisième méthode connue consiste à diminuer la température d'amorçage de la régénération. Cette méthode est limitée en ce que la baisse de la thermique diminue aussi l'efficacité de régénération sur les phases non concernées par les risques d'emballement. Une quatrième méthode consiste à limiter la quantité de suies dans le filtre à particules de manière à éviter d'atteindre une masse trop critique vis-à-vis d'un emballement. Cette solution impose des régénérations plus fréquentes et entraîne globalement une surconsommation de carburant. L'invention vise à proposer un procédé et un système de traitement des gaz d'échappement avec un filtre à particules pour un moteur de véhicule qui puisse prévenir les risques d'emballement de la régénération du filtre à particules.
Description de l'invention L'invention vise à remédier aux différents défauts des procédés de commandes connus. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de commande d'un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur sur un véhicule automobile, le système de traitement des gaz comportant un filtre à particules, procédé selon lequel on commande une régénération du filtre à particules en pilotant la température des gaz en amont du filtre à particules selon une première température de consigne pour amorcer une combustion des suies accumulées dans le filtre à particules, caractérisé en ce qu'on définit une zone critique et une zone normale en fonction du point de fonctionnement du moteur, caractérisé par une charge du moteur et un régime, et on pilote la température des gaz d'échappement selon la première température de consigne dans la zone normale et selon une deuxième température de consigne, inférieure à la première température de consigne, dans la zone critique. L'étude des conditions de fonctionnement du moteur et du système de traitement des gaz d'échappement permet de déterminer dans quelles conditions se présentent les risques d'emballement. On constate que les paramètres prépondérants sont le régime moteur, c'est-à-dire la vitesse de rotation du vilebrequin, et la charge du moteur, c'est-à-dire le couple fourni. En fonction de ces paramètres, on peut délimiter la zone critique, qui se situe aux faibles charges et faibles régimes, et appliquer dans cette zone une consigne de température en entrée du filtre à particules plus faible, de manière à écarter les risques d'emballement. En dehors de la zone critique, l'efficacité de la régénération est préservée à son niveau maximal. Selon un perfectionnement, on définit en outre une zone de sûreté entre la zone critique et la zone normale, et on pilote une troisième température de consigne aux gaz d'échappement intermédiaire entre la première et la deuxième température de consigne. On crée ainsi une zone intermédiaire qui permet de limiter strictement la taille de la zone critique et dans laquelle la contrainte sur la température est moins sévère. De manière complémentaire, la troisième température de consigne est fonction du taux de chargement du filtre à particules. Le risque d'emballement est également fonction du taux de chargement du filtre à particules. En particulier, le risque est faible lorsque le taux de chargement en suie du filtre à particules est faible. Dans ce cas, on peut se permettre de relever encore le niveau de température dans la zone de sûreté. De manière alternative, la troisième température de consigne est une interpolation linéaire entre la deuxième et la première température de consigne, en fonction de l'écart de régime entre la zone critique et la zone normale pour la charge du point de fonctionnement courant régime-charge du moteur. La variation de la troisième consigne est ainsi progressive en fonction de la distance du point de fonctionnement courant à la zone critique.
Selon un autre perfectionnement, la deuxième température de consigne est fonction d'un taux d'oxygène évalué dans les gaz d'échappement en amont du filtre à particules. Lorsque le taux d'oxygène est plus élevé, la vitesse de combustion des suies est plus importante, et donc le risque d'emballement est plus élevé. En prenant en compte le taux d'oxygène et en ajustant la température d'entrée des gaz en conséquence, on écarte plus justement le risque d'emballement dans la zone critique. Le taux d'oxygène peut évoluer en fonction des conditions extérieures au véhicule, comme par exemple en fonction de la pression atmosphérique, de l'altitude à laquelle se trouve le véhicule ou de la température de l'air ambiant. Le taux d'oxygène dans les gaz d'échappement est une bonne indication de ces paramètres. De manière similaire, la troisième température de consigne est fonction d'un taux d'oxygène évalué dans les gaz d'échappement en amont du filtre à particules. Comme précédemment, la température de consigne dans la zone de sûreté peut être ajustée tout en garantissant l'absence de risque d'emballement. L'invention a aussi pour objet un système de traitement des gaz d'échappement d'un moteur sur un véhicule automobile, le système comportant un filtre à particules, des moyens thermiques pour piloter la température des gaz d'échappement en amont du filtre à particules et une unité de commande des moyens thermiques, l'unité de commande étant agencée pour piloter les moyens thermiques de manière à commander une régénération du filtre à particules en pilotant la température des gaz d'échappement en amont du filtre à particules à une première température de consigne, caractérisé en ce que l'unité de commande est agencée pour définir une zone critique et une zone normale en fonction du point de fonctionnement du moteur, caractérisé par une charge du moteur et un régime, et pour piloter la température des gaz d'échappement selon la première température de consigne dans la zone normale et selon une deuxième température de consigne, inférieure à la première température de consigne, dans la zone critique. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente un système de traitement des gaz d'échappement conforme à l'invention ; - la figure 2 est un diagramme représentant les différentes zones de fonctionnement du moteur délimitées conformément à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE On a représenté sur la figure 1 un système de motorisation 1 comprenant d'un moteur 12 à combustion interne et un système de traitement 10 des gaz d'échappement du moteur 12. Le moteur est par exemple un moteur Diesel. Une ligne d'échappement 14 permet l'évacuation des gaz G du moteur 12 vers l'atmosphère. Le système de traitement 10 est implanté dans la ligne d'échappement 14 et comporte un catalyseur d'oxydation 20 en amont d'un filtre à particules 16. Le système de motorisation comporte en outre une tubulure d'admission 22 pour répartir de l'air d'admission A vers les différents cylindres du moteur 12. Les gaz d'échappement G produits par le moteur 12 sont évacués dans la ligne d'échappement 14. Lors de leur passage dans le catalyseur d'oxydation 20, les gaz imbrûlés contenus dans les gaz d'échappement G, tels que des hydrocarbures et du monoxyde de carbone, sont oxydés dans une réaction exothermique. Puis, lors de leur passage dans le filtre à particules 16, les particules de suies contenues dans les gaz d'échappement sont retenues par le filtre, dans le mode de fonctionnement normal du moteur (c'est-à-dire : hors phase de régénération du filtre 16). Le système de traitement 10 comporte en outre une unité de commande 18 qui reçoit une information de température mesurée dans la ligne d'échappement 14 par le capteur 19 en amont du filtre à particules 16. L'unité de commande 18 permet également de piloter le moteur 12 pour piloter la température des gaz d'échappement G en amont du filtre à particules 16 dans certaines circonstances. Périodiquement, les particules ainsi piégées dans le filtre à particules 16 sont brûlées au cours d'une phase de régénération. Cette régénération nécessite pour se produire que le filtre atteigne une température supérieure ou égale à la température de combustion des particules. Le filtre à particules 16 est chauffé par les gaz d'échappement G. Lorsque l'on souhaite obtenir la régénération du filtre à particules 16, l'unité de commande 18 modifie par exemple les conditions d'injection pour dégrader le rendement de la combustion dans les cylindres, et ainsi augmenter la température des gaz d'échappement G. On cherche alors à obtenir une température de consigne des gaz d'échappement G en amont du filtre à particules 16. Par exemple, la dégradation du rendement de combustion peut être obtenue en retardant l'injection du carburant dans les cylindres du moteur pendant le cycle. Le diagramme de la figure 2 représente des zones de fonctionnement du moteur 12 sur un plan ayant en abscisse le régime du moteur 12 et en ordonnée le couple délivré par le moteur 12 sur le vilebrequin. Une courbe de limite 30 représente le couple maximal délivré par le moteur 12 en fonction du régime.
En dessous de la courbe de limite 30 sont représentées trois zones : une zone normale 31, du côté du régime maximal, une zone critique 32, du côté des plus faibles régimes et une zone de sûreté 33 intermédiaire entre la zone normale 31 et la zone critique 32.
Conformément à l'invention, on pilote la température des gaz en amont du filtre à particules 16 selon une première température de consigne T1 dans la zone normale 31, selon une deuxième température de consigne T2, inférieure à la première température, dans la zone critique 32, et selon une troisième température de consigne T3, intermédiaire entre la première et la deuxième température de consigne T2 dans la zone de sûreté 33. La première température de consigne T1 est par exemple de 650 °C. La deuxième température de consigne T2 peut être prédéterminée de manière fixe, après la réalisation d'essais pour vérifier que le risque d'emballement n'est pas encouru. La troisième température de consigne T3 peut également être prédéterminée à une valeur fixe, intermédiaire entre la première et la deuxième température de consigne T2. Pendant la phase de régénération, l'unité de commande 18 détermine dans quelle zone le moteur 12 fonctionne et applique la température de consigne correspondante en réalisant une régulation de cette température à l'aide de la sonde de température 19 en amont du filtre à particules 16, par exemple en réalisant un régulateur du type PID. Dans un mode de réalisation particulier, l'unité de commande 18 reçoit en outre une information de chargement du filtre à particules 16, c'est-à-dire de masse de suies stockée dans le filtre 16. Cette information provient par exemple d'une mesure de différence de pression entre l'amont et l'aval du filtre à particules 16, d'une manière connue en soi. L'unité de commande 18 adapte la troisième température de consigne T3 en fonction du taux de chargement du filtre à particules 16, c'est-à-dire en fonction du chargement du filtre 16 divisé par sa capacité maximale de stockage.
Ainsi, la troisième température de consigne T3 est égale à la première température de consigne T1 lorsque le taux de chargement du filtre à particules 16 est nul ou presque, et égal à la deuxième température de consigne T2 lorsque le taux de chargement du filtre à particules 16 est à la limite admise. La troisième température de consigne T3 est interpolée entre ces deux valeurs T1, T2 en fonction du taux de chargement du filtre à particules 16. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le système comporte des moyens d'évaluation du taux d'oxygène dans les gaz d'échappement G. Ces moyens peuvent être une sonde à oxygène mesurant directement le taux d'oxygène, ou l'unité de commande 18 agencée pour calculer ce taux d'oxygène en fonction des paramètres environnementaux et de fonctionnement du moteur 12 mesurés ou commandés. Dans ce mode de réalisation, l'unité de commande 18 détermine la deuxième température de consigne T2 en fonction du taux d'oxygène évalué dans les gaz d'échappement G en amont du filtre à particules 16. A titre d'exemple, la deuxième température de consigne T2 est déterminée comme suit : - si le taux d'oxygène est supérieur à un premier seuil prédéterminé, la deuxième température de consigne T2 est fixée à une limite basse T2min ; - si le taux d'oxygène est inférieur à un deuxième seuil prédéterminé, inférieur au premier seuil, la deuxième température de consigne T2 est fixée à une limite haute T2max ; - si le taux d'oxygène est compris entre le premier T2min et le deuxième seuil T2max, la deuxième température de consigne T2 est calculée par interpolation linéaire entre la limite basse T2min et la limite hauteT2max en fonction de la variation du taux d'oxygène entre le premier et le deuxième seuil. De la même manière, mis en oeuvre en même temps que pour la deuxième température de consigne T2, la troisième température de consigne T3 est fonction du taux d'oxygène évalué dans les gaz d'échappement G en amont du filtre à particules 16. Par exemple, dans le calcul de la troisième température de consigne T3 en fonction du taux de chargement du filtre à particules 16, on prend en considération la deuxième température de consigne T2 calculée telle qu'exposé précédemment en fonction du taux d'oxygène.
Selon un autre mode de réalisation, la troisième température de consigne T3 est une interpolation linéaire entre la deuxième T2 et la première température de consigne T1, en fonction de l'écart de régime entre la zone critique 32 et la zone normale 31 pour la charge du point de fonctionnement courant du moteur 12. En se référant à la figure 2, une ligne horizontale 34 issue du point de fonctionnement courant 35 dans la zone de sûreté 33 coupe les délimitations de la zone critique 32 et de la zone normale 31 aux abscisses respectivement N2 et N1. Pour ce point de fonctionnement courant 35, la troisième température de consigne T3 est calculée par interpolation linéaire entre la deuxième et la troisième température de consigne T2, T3 selon la formule : T3 = T2 ± - T2 (N 2 Nl-N2 L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre d'exemple. La température en amont du filtre à particules 16 peut être évaluée en fonction d'autres mesures et avec des modèles mathématiques mis en oeuvre par l'unité de commande 18 ou par d'autres calculateurs embarqués dans le véhicule. L'unité de commande 18 est présentée comme étant indépendante, mais ses fonctions peuvent être réalisées par un calculateur réalisant également d'autres fonctions, comme le contrôle du moteur 12.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un système de traitement des gaz d'échappement (G) d'un moteur (12) sur un véhicule automobile, le système de traitement des gaz comportant un filtre à particules (16), procédé selon lequel on commande une régénération du filtre à particules (16) en pilotant la température des gaz en amont du filtre à particules (16) selon une première température de consigne (T1) pour amorcer une combustion des suies accumulées dans le filtre à particules (16), caractérisé en ce qu'on définit une zone critique (32) et une zone normale (31) en fonction du point de fonctionnement du moteur (12), caractérisé par une charge du moteur (12) et un régime, et on pilote la température des gaz d'échappement (G) selon la première température de consigne (T1) dans la zone normale (31) et selon une deuxième température de consigne (T2), inférieure à la première température de consigne (T1), dans la zone critique (32).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, selon lequel on définit en outre une zone de sûreté (33) entre la zone critique (32) et la zone normale (31), et on pilote une troisième température de consigne (T3) aux gaz d'échappement (G) intermédiaire entre la première et la deuxième température de consigne (T1, T2).
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, selon lequel la troisième température de consigne (T3) est fonction du taux de chargement du filtre à particules (16).
  4. 4. Procédé selon la revendication 2, selon lequel la troisième température de consigne (T3) est une interpolation linéaire entre la deuxième et la première température de consigne (T2, T1), en fonction de l'écart de régime entre la zone critique (32) et la zone normale (31) pour la charge du point de fonctionnement (35) courant du moteur (12).
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, selon lequel la deuxième température de consigne (T2) est fonction d'un taux d'oxygène évalué dans les gaz d'échappement (G) en amont du filtre à particules (16).
  6. 6. Procédé selon la revendication 2, selon lequel la troisième température de consigne (T3) est fonction d'un taux d'oxygène évalué dans les gaz d'échappement (G) en amont du filtre à particules (16).
  7. 7. Système de traitement des gaz d'échappement (G) d'un moteur (12) sur un véhicule automobile, le système comportant un filtre à particules (16), des moyens thermiques pour piloter la température des gaz d'échappement (G) en amont du filtre à particules (16) et une unité de commande (18) des moyens thermiques, l'unité de commande (18) étant agencée pour piloter les moyens thermiques de manière à commander une régénération du filtre à particules (16) en pilotant la température des gaz d'échappement (G) en amont du filtre à particules (16) à une première température de consigne (T1), caractérisé en ce que l'unité de commande (18) est agencée pour définir une zone critique (32) et une zone normale (31) en fonction du point de fonctionnement (35) du moteur (12), caractérisé par une charge du moteur (12) et un régime, et pour piloter la température des gaz d'échappement (G) selon la première température de consigne (T1) dans la zone normale (31) et selon une deuxième température de consigne (T2), inférieure à la première température de consigne (T1) , dans la zone critique (32).
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